CN111837909A - 坡地植物根系构型调控系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种坡地植物根系构型调控系统及方法，系统包括养分投放器、蓄水池、滴灌控制器、输水管和导水装置。导水装置设置成并联形式，且均接输水管，输水管的进口与滴灌控制器连通，滴灌控制器的输入端与蓄水池相连，蓄水池外连养分投放器。导水装置包括导水管和阻水装置，导水管内设引流通道，导水管上设水分养分感应层将其管壁分隔为若干节渗水单元，各渗水单元上均设若干渗水孔。阻水装置的阻水头能够沿导水管轴向移动，控制引流通道与不同渗水单元连通，实现对不同深度的土壤滴灌。该调控系统根据理论计算加固边坡所需根系的数量和生长角度，局部改变根系附近土壤的含水率和养分含量，诱导根系向需要的方向生长，提高根系固土能力。

Description

坡地植物根系构型调控系统及方法
技术领域
本发明属于生态护坡技术领域，特别是涉及一种坡地植物根系构型调控系统及方法。
背景技术
植物护坡技术作为一种新型的生态技术，已经在世界范围内得到广泛的使用和认可。但是植物根系生长具有向重力性，例如常用的护坡植物香根草，其根系异常发达，一般可生长至2～3m，最深可达到5～6m。但是其根系在边坡土体内集中垂直向下生长，而垂直于坡面向内的根系短而少，这种根系构型不能最大限度地发挥出其根系固土能力。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种有利于提高植物根系固土能力的调控系统及方法。
本发明提供的坡地植物根系构型调控系统，本系统包括养分投放器、蓄水池、滴灌控制器、输水管和导水装置，导水装置包括内设引流通道的导水管和含有阻水头的阻水装置，导水管上设水分养分感应层，其管壁分隔为若干节渗水单元，各渗水单元上均设若干渗水孔，阻水装置连接于导水管内、阻水头能够沿引流通道轴向移动，控制引流通道与不同区域渗水单元连通；各导水装置相互并联、均与输水管连通，输水管的进口与滴灌控制器连通，滴灌控制器的输入端与蓄水池连通，蓄水池外连养分投放器。
所述导水管为两端开口的圆管，其顶部设有一对装配孔；所述引流通道为条形槽，引流通道沿导水管轴向设置于其内壁上。
所述输水管上均布若干输水孔；各导水管相互并联，分别以其上的装配孔套于输水管外，以其内的引流通道与输水孔连通。
所述导水管还包括装配于装配孔端外的防杂弯头。
所述导水管还包括一对撑杆，两撑杆并列布置于导水管内位于装配孔下方。
所述阻水装置还包括连接座和伸缩杆，连接座外设一对挂钩，伸缩杆的一端与连接座相连、另一端与所述阻水头相连。
所述阻水头为圆柱型阻水橡胶，其外径匹配于所述导水管的内径。
所述水分养分感应层包括土壤水分传感器和土壤养分传感器，土壤水分传感器和土壤养分传感器沿轴向并列布置，分别贴于所述导水管的外壁；相邻两层水分养分感应层之间的间距为40cm。
所述导水管的内径为5-30cm，长度为200-500cm；所述渗水孔的孔径为0.5-1cm，孔心距为3cm。
本发明还提供了一种坡地植物根系构型调控方法，本方法利用上述的系统为工具，按如下步骤进行：
S.1、计算土壤入渗率，即水分未从导水装置端头溢出时的最大滴灌速度；
S.2、根据待调控植物根系在自然条件生长状态的规律，划分为不同生长阶段；
S.3、根据待调控植物不同生长阶段，设定满足调控要求的湿润体范围，确定待调控植物不同生长阶段下蓄水池的蓄水量以及滴灌控制器的滴灌速度；
S.4、测定待调控植物根尖对局部信号的响应和根系觅食的尺度和精度；
S.5、在满足根系觅食尺度条件下，选取最大程度提高边坡稳定的诱导角度，并沿该角度钻孔；
S.6、将输水管沿边坡坡面敷设，将导水装置同轴装入各钻孔内；
S.7、根据待调控植物不同生长阶段，开启不同深度处的土壤水分传感器和土壤养分传感器工作，对不同土层的土壤含水率和养分含量进行测定，并根据测定结果调整阻水头在导水管内位置。
本发明在使用时，将导水管同轴装入边坡上各钻孔内，然后通过滴灌控制器将蓄水池内的水分向边坡内土壤滴灌，并通过养分投放器控制水分中的养分含量，然后通过阻水装置的阻水头在导水管内运动控制向不同深度的土壤滴灌，以改变不同土层的土壤含水率和养分含量。通过局部改变根系周围的水分和养分，去诱导根系往工程需要的方向生长，大大提高植物根系的固土能力，促进植物边坡在工程上的应用。
附图说明
图1为本发明一个优选实施例的使用状态示意图。
图2为本优选实施例中导水装置的局部剖视示意图。(防杂网略去未示出)
图3为本优选实施例中防杂弯头的立体示意图。
图4为本优选实施例中滴灌控制器和养分投放器的工作流程示意图。
图示序号：
1—养分投放器；2—蓄水池；3—滴灌控制器；4—输水管；
5—导水装置，
51—导水管、511—装配孔、512—撑杆、513—条形槽、514—水分养分感应层、515—渗水孔；
52—阻水装置、521—连接座、522—伸缩杆、523—阻水头、524—挂钩；
53—防杂弯头；
6—植物根系。
具体实施方式
如图1所示，本实施例公开的这种坡地植物根系构型调控系统，包括养分投放器1、蓄水池2、滴灌控制器3、输水管4和导水装置5。多个导水装置5沿边坡均匀布置，相互并联、均与输水管4连通，输水管4的进口与滴灌控制器3连通，滴灌控制器3的输入端与蓄水池2连通，蓄水池外连养分投放器1。
养分投放器1的型号为AF-2005D。通过养分投放器向蓄水池内补充养分以调节水分中的养分含量。
蓄水池2立于边坡顶部的水平段上，经滴灌控制器3控制滴灌速度后，由输水管4将含氧水自导水装置5滴灌至边坡土壤中。
滴灌控制器3的型号为DATA-6321。输水管4上均布多个输水孔41，输水管沿边坡坡度埋入表层土壤中向各导水装置5中注水。
如图2所示，导水装置5包括导水管51和阻水装置52。导水管51为两端开口的圆管，外径为5-30cm，长度为30-200cm；导水管的顶部设有一对装配孔511，其内位于装配孔下设有一对撑杆512用以与输水管4连通，其内壁沿轴向设有条形槽513用作引流通道，其外壁设有水分养分感应层513，水分养分感应层514包括土壤水分传感器和土壤养分传感器(土壤水分传感器的型号为PHWSD-T，土壤养分传感器的型号为FDS-150)。土壤水分传感器和土壤养分传感器沿轴向并列布置、分别贴于导水管的外壁。相邻两层水分养分感应层之间的间距为40cm将导水管分隔为若干渗水单元。每节渗水单元上均设若干渗水孔515，渗水孔的孔径为1cm，孔心距为3cm，可在渗水孔外安装滤网作为防杂网，以防异物进入。在导水管51的装配孔端外连接防杂弯头53以防异物进入导水管内，如图2、图3所示。阻水装置52包括连接座521、伸缩杆522和阻水头523，连接座为圆柱型座体，其外设一对挂钩524。伸缩杆的一端与连接座相连，另一端与阻水头相连。阻水头523为圆柱型阻水橡胶，其外径匹配于导水管的内径，遇水时膨胀堵死导水管内腔。装配时，将阻水装置通过挂钩挂于导水管内的撑杆上，然后将导水管以装配孔穿入输水管上，并使各导水管套于输水管对应的输水孔之外，使引流通道与输水孔连通。
运用本实施例进行植物根系6生长调控时，
1、根系具有极强的有向水性和向肥性，不同的湿润体特征值会导致不同的根系构型，而湿润体与滴灌速度、滴灌定额和导水装置直径密切相关。通过物理试验测定植物边坡土壤的物理性质，利用室内水分入渗试验建立湿润体特征值与滴灌速度、定额和导水装置直径的关系。由公式(1)计算土壤入渗率，即满足水分没有从上一层渗水单元溢出的情况下的最大滴灌速度。
Figure BDA0002617275510000041
式中，A是土壤入渗率cm3/min；α是表征稳流条件下土壤毛管吸力作用的参数cm-1；a是导水装置半径cm；h是导水装置中的积水深度cm；c是无量纲形状系数。
2、随着植物根系不断的生长，其根系横向影响范围也会不断加宽。通过研究待调控植物根系在自然条件生长状态的规律，将其划分为几个生长阶段，每个生长阶段对应不同的滴灌速度和滴灌定额。
3、综合考虑1和2，根据室内水分入渗试验所得规律，在满足水分不从上一层渗水单元溢出的情况下，设定最佳的滴灌速度和滴灌定额，但滴灌速度和滴灌定额随着植物的生长阶段不断变化。
4、根系具有觅食精确性和敏感性系，即根系会对一定尺度内的养分空间异质性做出反应，在富养斑块大量生长。根据室内根系响应试验，测定待调控植物根尖对局部信号的响应和根系觅食的尺度和精度。
5、在满足根系觅食尺度条件下，选取最大程度提高边坡稳定的诱导角度，完成钻孔。把相对应的导水装置埋入孔洞中，导水装置如图2所示；在导水装置端头拼接防杂弯钩，防杂弯钩如图3所示。根据植物不同的生长时期，开启导水装置上不同位置的土壤水分感应器和养分感应器，对不同土层的土壤含水率(1次/7天)和养分含量(1次/15天)进行测定。
6.测定完成之后，分别发送土壤氮、磷、钾和水分含量数据信号至养分投放器和滴灌控制器。若土壤氮、磷、钾小于设定值，则往蓄水池投入土壤中缺少的氮磷钾，并均匀搅拌，随后升降阻水头到相应位置，按设定完成该土层水肥滴灌；若土壤氮磷钾大于设定值，则比对土壤水分含量，当土壤水分含量小于设定值，达到水分胁迫时，则升降阻水头到相应位置，按设定完成该土层水分滴灌，当土壤水分也大于设定值时，则取消滴灌。
本发明根据室内水分入渗试验所得规律，在满足水分不从上一层渗水单元溢出的情况下，设定最佳的滴灌速度和滴灌定额，但滴灌速度和滴灌定额随着植物的生长阶段不断变化。根据植物不同的生长时期，开启导水装置上不同位置的土壤水分传感器和养分传感器，对不同土层的土壤含水率(1次/7天)和养分含量(1次/15天)进行测定，然后依次将土壤养分和水分含量数据信号发送至养分投放器和滴灌控制器进行比对。若需施水肥，先开启养分投放器，均匀搅拌后，升降阻水头至对应位置，再开始水肥滴灌；若需施水，升降阻水头，随后开始水分滴灌。此方法和装置利用非生物调控手段，即通过局部改变根系周围的水分和养分，去诱导根系往工程需要的方向生长，大大提高植物根系的固土能力，促进植物边坡在工程上的应用。

Claims (10)

1.一种坡地植物根系构型调控系统，其特征在于：本系统包括养分投放器、蓄水池、滴灌控制器、输水管和导水装置；
导水装置包括内设引流通道的导水管和包含阻水头的阻水装置，导水管上设水分养分感应层，其管壁分隔为若干节渗水单元，各渗水单元上均设若干渗水孔，阻水装置连接于导水管内，阻水头能够沿引流通道轴向移动，控制引流通道与不同区域渗水单元连通；
各导水装置相互并联，均与输水管连通，输水管的进口与滴灌控制器连通，滴灌控制器的输入端与蓄水池连通，蓄水池外连养分投放器。
2.如权利要求1所述的坡地植物根系构型调控系统，其特征在于：所述导水管为两端开口的圆管，其顶部设有一对装配孔；所述引流通道为条形槽，引流通道沿导水管轴向设置于其内壁上。
3.如权利要求2所述的坡地植物根系构型调控系统，其特征在于：所述输水管上均布若干输水孔；各导水管相互并联，分别以其上的装配孔套于输水管外，以其内的引流通道与输水孔连通。
4.如权利要求2所述的坡地植物根系构型调控系统，其特征在于：所述导水管还包括装配于装配孔端外的防杂弯头。
5.如权利要求2所述的坡地植物根系构型调控系统，其特征在于：所述导水管还包括一对撑杆，两撑杆并列布置于导水管内位于装配孔下方。
6.如权利要求5所述的坡地植物根系构型调控系统，其特征在于：所述阻水装置还包括连接座和伸缩杆，连接座外设一对挂钩，伸缩杆的一端与连接座相连，另一端与所述阻水头相连。
7.如权利要求6所述的坡地植物根系构型调控系统，其特征在于：所述阻水头为圆柱型阻水橡胶，其外径匹配于所述导水管的内径。
8.如权利要求1所述的坡地植物根系构型调控系统，其特征在于：所述水分养分感应层包括土壤水分传感器和土壤养分传感器，土壤水分传感器和土壤养分传感器沿轴向并列布置、分别贴于所述导水管的外壁；相邻两层水分养分感应层之间的间距为40cm。
9.如权利要求1所述的坡地植物根系构型调控系统，其特征在于：所述导水管的内径为5-30cm，长度为200-500cm；所述渗水孔的孔径为0.5-1cm，孔心距为3cm，渗水孔外设防杂网。
10.一种坡地植物根系构型调控方法，其特征在于，本方法利用权利要求1—9中任一项所述的系统为工具，按如下步骤进行：
S.1、计算土壤入渗率，即水分未从上一级渗水单元溢出时的最大滴灌速度；
S.2、根据待调控植物根系在自然条件生长状态的规律，划分为不同生长阶段；
S.3、根据待调控植物不同生长阶段，设定满足调控要求的湿润体范围，确定待调控植物不同生长阶段下蓄水池的蓄水量以及滴灌控制器的滴灌速度；
S.4、测定待调控植物根尖对局部信号的响应和根系觅食的尺度和精度；
S.5、在满足根系觅食尺度条件下，选取最大程度提高边坡稳定的诱导角度，并沿该角度钻孔；
S.6、将输水管沿边坡坡面敷设，将导水装置同轴装入各钻孔内；
S.7、根据待调控植物不同生长阶段，开启不同深度处的土壤水分传感器和土壤养分传感器，对不同土层的土壤含水率和养分含量进行测定，并根据测定结果调整阻水头在导水管内位置。
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